A central problem of materials science is to determine whether a hypothetical material is stable without being synthesized, which is mathematically equivalent to a global optimization problem on a highly non-linear and multi-modal potential energy surface (PES). This optimization problem poses multiple outstanding challenges, including the exceedingly high dimensionality of the PES and that PES must be constructed from a reliable, sophisticated, parameters-free, and thus, very expensive computational method, for which density functional theory (DFT) is an example. DFT is a quantum mechanics based method that can predict, among other things, the total potential energy of a given configuration of atoms. DFT, while accurate, is computationally expensive. In this work, we propose a novel expansion-exploration-exploitation framework to find the global minimum of the PES. Starting from a few atomic configurations, this ``known'' space is expanded to construct a big candidate set. The expansion begins in a non-adaptive manner, where new configurations are added without considering their potential energy. A novel feature of this step is that it tends to generate a space-filling design without the knowledge of the boundaries of the domain space. If needed, the non-adaptive expansion of the space of configurations is followed by adaptive expansion, where ``promising regions'' of the domain space (those with low energy configurations) are further expanded. Once a candidate set of configurations is obtained, it is simultaneously explored and exploited using Bayesian optimization to find the global minimum. The methodology is demonstrated using a problem of finding the most stable crystal structure of Aluminum.


翻译:材料科学的一个中心问题是确定假设材料是否在不合成的情况下是稳定的,这在数学上等同于高度非线性和多模式潜在能源表面(PES)的全球优化问题。这一优化问题提出了多种尚未解决的挑战,包括PES的高度维度,以及必须从可靠、精密、无参数、因此也是非常昂贵的计算方法来构建PES,而密度功能理论(DFT)就是这方面的一个例子。DFT是一种量子机械法,除其他外,可以预测原子特定配置的总潜在能量。DFT虽然准确,但计算成本却非常低。在这项工作中,我们提出了一个新的扩展探索-探索框架,以找到PES的全球最低值。从几个原子配置开始,“已知”空间空间的扩大以构建一个大候选数据集。扩展以非适应性的方式开始,在不考虑其潜在能量的情况下添加新的配置。这一步骤的一个新特征是,它往往产生一个空间填补配置设计的总潜在能量,而最精确的是计算最低的成本。在空间配置中,使用最稳定的空间配置的扩展域域域的扩展, 需要一个空间定位的域域域的调整。

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